一种大规模电力系统运行方式潮流转移比多核并行批处理方法

摘要

本发明属于大电网安全校核和计算机领域，公开了一种大规模实际电力系统运行方式潮流转移比的多核并行批处理方法，以大系统分析工具为基础，采用深度优先搜索算法对系统的网络拓扑进行完整性检测，结合潮流结果合理性的自动判别以实现潮流转移比的批处理分析，基于Fork/Join的并行框架，按故障设置采用“分治模式”递归分解计算任务，实现大规模实际电力系统运行方式潮流转移比的多核并行批处理快速准确分析。本发明切实保证分析精度和效率，适用于实际大规模系统运行方式潮流转移比快速精确分析，在不增加额外投资的情况下能充分利用计算机多核资源并获得良好的并行性能，满足不同时间尺度运行方式安全校核分析要求，具有广泛应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及大电网安全校核和计算机领域，更具体地，特别涉及到一种大规模电力系统 运行方式潮流转移比多核并行批处理方法。

技术背景

电网运行坚持“安全第一、预防为主”的方针。伴随国民经济不断增长，电力系统规模 日渐庞大，对电网安全、稳定和经济运行提出了更高要求。近些年，国内外大面积停电事故 频发，给社会和经济造成巨大损失。例如：1965年东北美大面积停电事故、1978年法国大停 电事故、2003年美国8.14大停电事故、1990年广州大面积停电事故、1999年台湾地区大停 电事故、2012年印度大停电事故等。国内外不少学者对多起严重大面积停电事故原因进行了 深入分析，取得了大量研究成果，结果表明：绝大多数的大面积停电事故是由于部分压极限 边缘运行的输电网络遭遇故障而断开相关支路，引起潮流大面积转移，导致其他线路过载， 从而产生连锁反应，最终导致了大停电事故的发生。

为了预防和杜绝此类重大事故发生，实际运行中不得不降低线路的传输功率，但这样又 不能充分发挥网络的传输效率。为了保证电网安全并兼顾经济效益，电网运行方式需反复调 整校核，进行大量超前的预想事故模拟仿真分析是十分必要的。在现行运行方式潮流转移比 分析中，需要逐一手动设置故障并潮流计算，从大量文本输出结果中筛选出关注支路和断面 的潮流，信息量大、工作繁琐且效率低，有时甚至无法计算，若基态潮流变化，计算条件则 需要全部重新设置。实际运行中也可采用系统等值的方法，但难以详细模拟全网网架结构， 分析精度不能保证。

作为国家水电能源基地之一，云南电网已成为国家西电东送的主要输出端，网架结构日 益复杂，在保证南方电网区域互联、电网安稳运行方面作用显著，输电能力与负荷增长的不 匹配使得线路的功率输送裕度减少，外加西部大量小水电逐级集中送出以及复杂多变的高原 极端恶劣气候影响，可能造成大量走廊相近的线路或设备的多重严重故障，甚至导致潮流大 面积转移，电网稳定破坏的风险较大，方式制作时必须进行大量安全校核分析，计算量大。 以云南电网某月实际运行方式(计算网络包含南方电网五省电网数据)为例，全网系统超过 11000个节点，12000条支路(包含短连接开关支路)。

目前，已有较多关于潮流转移的理论研究和方法验证，但测试系统规模较小，对于大规 模实际系统运行方式尚无成熟运用的批处理精确求解工具，也未见采用多核并行技术求解潮 流转移比的相关报道。本发明可适于大规模系统运行方式潮流转移比的精确和快速分析，满 足不同时间尺度运行方式安全校核分析要求，具有广泛的应用前景。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种大规模电力系统运行方式潮流转移比多核并行批 处理方法，同时兼顾求解效率和结果精度，实现大规模电力系统潮流转移比的快速精确求解， 满足不同时间尺度运行方式安全校核分析要求。

本发明采用的技术方案为：本发明揭示了一种大规模电力系统运行方式潮流转移比多核 并行批处理方法。

按照下述步骤(1)-(5)实现运行方式潮流转移比的多核并行批处理分析计算。

(1)计算数据准备。采用java编程解析拟计算的电网运行方式(包含潮流计算文件dat 和稳定计算文件swi)，按照设备类型、区域、分区、电压等级进行分类并保存至数据库，为 并行批处理分析提供基础数据准备；

(2)基态潮流计算。读取步骤1保存至数据库的电网参数，在给定发电状态及负荷水平 等运行条件下，生成初始基态运行方式，调用PSD-BPA软件进行潮流计算，采用java编程解 析文本结果，得到各支路基态潮流值；

(3)转移比分析条件设置。按潮流转移比分析要求将条件设置分为两大类：一类是潮流 转移比普扫条件设置，设置内容包括故障类型(N-1、N-2等)和扫描范围(区域、分区、电 压等级)。另一类是关键断面潮流转移比快速分析条件设置，设置内容包括故障类型、故障断 面以及关注的关键断面；

(4)构建Fork/Join多核并行环境和部署并行分析任务。按步骤3设置的分析条件，按 故障进行分类采用“分治模式”递归分解计算任务，将总任务分配在多个CPU内核上，分别 同时依次执行步骤4.1、4.2，实现计算子任务间的多核并行：

(4.1)网络拓扑完整性检测和故障状态潮流计算。从数据库中读取电网设备参数，按分 析条件进行故障设置，生成故障状态下运行方式，采用深度优先搜索算法(depth first  searching，DFS)进行网络拓扑完整性检测。若检测完整，调用PSD-BPA软件进行故障状态 下的潮流计算，转至步骤4.2；若不完整，转至步骤5；

(4.2)潮流转移比分析。解析故障后潮流计算文本结果，进行合理性判别。若合理，得 到故障后关注支路、断面的潮流新值，结合步骤2中计算得到的基态潮流值，进行潮流转移 比计算分析；若不合理，转至步骤5。

(5)结果总结。汇总各子任务计算结果，根据潮流转移比分析结果按潮流转移严重程度 由高到低排序，同时标记关键支路和断面。同时，可详细查看步骤4.1中网络拓扑完整性检 测和步骤4.2中结果合理性判别结果。

与现有工作模式下运行方式潮流转移比分析相比，本发明兼顾求解效率和计算精度，能 够有效实现实际运行方式潮流转移比的快速精确分析，满足不同校核分析需求，具有如下突 出效果：

(1)求解效率高。将现有工作模式下人工故障设置、网络拓扑检测、潮流计算合理性判 别、结果处理等繁琐工作完全由程序自动实现，同时构建Fork/Join框架实现求解方法的多 核并行，进一步大幅提高了求解效率；

(2)计算精度高。本方法基于现有成熟的电力系统分析工具，整个计算过程中也未涉及 模型简化或网络等值，保证了计算结果的精确性和可信度；

(3)灵活可扩展性强。随着未来电网网架规模的不断扩大，即使陆续会有大量新投产的 设备，文中所提方法也可实现运行方式自动解析并进行潮流转移比的快速准确分析，并且计 算速度基本不受影响。

附图说明

图1是潮流转移比计算模型。

图2是潮流转移比计算并行性分析。

图3是任务分解与阈值控制方式示意图。

图4是基于深度优先搜索算法(DFS)的网络完整性检测流程图。

图5是潮流计算合理性判别流程图。

图6是潮流转移并行实现的执行框架。

图7是多核环境下不同计算方案加速比与效率对比结果。

图8是多核环境下不同计算方案加速比与效率对比结果。

具体实施方式

本发明以求解运行方式潮流转移比为核心目标，图1以简单3节点3支路网络发生N-1 开断故障为例，详细说明潮流转移比计算模型。

初始基态下：P_L1＝p₁，P_L2＝p₂，P_L3＝p₃；

故障状态下：P_L1＝p₁'，P_L2＝p₂'，P_L3＝p₃'＝0；

其中，P_Li表示支路Li有功潮流值，p_i表示故障前的初始基态，p_i'表示故障后。当L3发 生N-1开断故障，支路L1、L2潮流转移比f_L1、f_L2按下式计算：

f_L1＝|p₁'-p₁|÷p₃×100％

f_L2＝|p₂'-p₂|÷p₃×100％

本发明实现了求解方法的多核并行，并行计算是指将一个复杂的较大规模任务分解成两 个或两个以上子任务，并将这些子任务按一定原则分配在不同的CPU内核上同时计算，以缩 短计算时间，提高求解效率，必须满足2个前提条件：一是同时计算的子任务之间必须相互 独立；二是计算机配置有多个CPU内核。一方面，潮流转移批处理分析计算中，需要对预想 故障逐一设置并进行潮流转移分析，如图2中所示以3节点3支路简单网络N-1开断故障潮 流转移普扫为例，任意单一故障的网络参数设置、潮流计算、结果解析均是相互独立的，满 足子任务之间的相互独立性要求。另一方面，现如今多核处理器已成主流，无论是服务器或 工作站，还是个人电脑，多核CPU配置已十分普遍。因此，在现行日常工作环境已有软件和 硬件配置下，不必增加额外投资，实现潮流转移比的多核并行分析是可行的。

本发明采用深度优先搜索算法(DFS)实现网络拓扑完整性的检测，搜索流程如图3中 所示，其基本思路是以网络中任意节点v作为起始顶点，依次从v的未被访问的邻接点出发， 逐个深度优先遍历搜索，直至网络中和节点v有路径相通的节点都被访问，搜索过程中标记 已访问节点以避免重复搜索，若访问节点数与当前网络中有效节点数相同，那么说明网络中 所有节点相通，不存在孤立节点和孤岛区域；否则，说明网络中存在孤立节点或孤岛区域， 以任意未被访问节点为起始顶点，再次使用DFS算法进行深度优先遍历，直至网络中所有节 点均被访问过为止。如此递归遍历可以获得整个网络中所有的孤立节点或孤岛区域。

本发明实现了潮流计算合理性的自动判别，如图4中所示，判别原则为：计算中出现以 下任意情况，则认为潮流计算不合理。

(1)网络拓扑检测不完整；(2)潮流计算不收敛；

(3)潮流计算收敛，但迭代次数大于15次；

(4)平衡机机组出力越限；(5)节点电压越限；

(6)支路越限；(7)变压器过载；

若未出现上述任意情况，则认为潮流计算结果合理。

本发明构建了基于Fork/Jion的并行框架，采用“分治模式”处理大量任务计算，基本思 想是将一个求解过程复杂的大规模问题，分解为多个规模较小、相互独立且可直接求解的子 任务，再通过求解并组合所有子任务的解，最终得到原问题的解。潮流转移并行实现的执行 框架如图5所示。它通过定义一个阈值来控制子任务的规模，当任务的计算规模小于或等于 阈值时，则停止任务分解，其控制方式示意图如图6中所示。若阈值过小，使递归层数较深， 则子任务数目较多，并行协调管理消耗较大；若阈值过大，则子任务数目较少，串行执行时 间较长，无法充分利用多核资源。因此，合适的阈值选择是并行设计的重要步骤，为了避免 资源闲置，阈值按下式设置：

其中，λ表示阈值；m表示任务计算规模；符号表示取上整数；α表示CPU的逻辑 线程数。Fork/Join初始默认创建与CPU逻辑线程数相同的计算线程，并采用线程池进行管理， 减少反复创建与关闭线程所占用的系统资源。一般地，计算机CPU内核数与逻辑线程数相同， 但若CPU处理器支持“超线程”技术(单个内核具有2个逻辑线程)，CPU逻辑线程数等于 内核数的2倍。

为了验证所本发明公开的运行方式潮流转移比的多核并行批处理方法的准确性和求解效 率，首先以新格兰10机39节点系统为算例，验证了方法的准确性，但由于系统规模较小， 并行效率不明显；然后再以云南电网某月实际运行方式为例，计算网络系统规模大，并行效 率明显，验证了方法的求解效率。

(1)编程语言与硬件配置

采用java编程语言实现。测试运行主机类型为Dell Precision T1600Mini Tower，CPU类 型为Inter(R)Xeon(R)CPU E31245@3.30GHz，4核8线程。

(2)并行性能指标

采用目前普遍评价并行计算性能的两个重要指标：加速比S_p和效率E_p，其表达式分别如 下：S_p＝T₁/T_p；E_p＝S_p/p

其中T₁为单核(串行)环境下的计算时间；T_p为算法在p个内核环境下的运行时间。一 般情况下，S_p小于理想的加速比p，但在实际并行计算中，常出现“超线性加速比”现象， 即S_p大于p。

图7为新英格兰10机39节点系统算例接线图及其节点编号，进行N-1开断故障潮流转 移普扫，逐一支路N-1开断故障后分析其他支路潮流转移情况。以节点2至节点25支路L_2-25发生N-1开断故障为例说明，结果如表1所示。发生故障时，发电机节点37有功出力完全只 由L_25-26送出，不再经过L_2-3，所以，前者潮流有较大增加，后者潮流减少；为满足节点3负 荷需求，除少部分经由L_16-17的潮流略有增加之外，主要支路L_26-27、L_17-27、L_17-18、L_3-18潮流 均增加较大，支路L_17-27甚至出现了反向潮流。从实际结果中可以看出，并行计算结果与串行 结果基本完全一致，验证了本发明所提多核并行批处理方法的可行性和准确性。

表2为云南电网某月实际运行方式的不同测试方案配置，分别在单核(串行)、2核、4 核不同环境下进行测试，并开启“超线程”技术，方案1为用户根据实际运行经验，自定义 关键支路和断面分析，校核支路较少；方案2-4为220kV及以上电压等级支路潮流转移普扫， 参与校核支路数为800条(包含短连接开关支路)，则不同规模故障下需校核的支路总数分别 为100×800＝80000、200×800＝160000、800×800＝640000。计算结果如表3及图8中所示， 验证了本发明所提多核并行批处理方法的求解效率，结果分析如下：

(1)方案1相比于方案2，故障数相同，校核支路总数明显较少，计算时间却较长，主 要是因为本发明提出的并行设计是按故障划分子任务，单一故障下网架规模相同，计算时间 基本相同，但由于方案1是根据实际运行经验定义的故障设置，故障后运行方式仍能保证潮 流合理性，需进一步进行结果解析，方案2中部分故障后网架不完整或潮流结果不合理，不 必进行结果解析，方案1结果解析耗时比方案2较多。由此可见，计算时间主要与故障总数 有关，与校核支路总数关系较小，大规模系统下校核支路成倍增加也不会造成耗时突增，有 利于大范围批量普扫。

(2)同一方案不同内核环境下比较并行效果，可以看出，随着内核数的增加，计算时间 减少，加速比增加，效率降低。造成并行效率下降的主要原因是随着内核数的增加，线程管 理与通信、数据同步时变量重复定义导致占用内存的增加。

(3)方案1-4在2核环境下的加速比分别为：2.04，2.04，2.08和2.12，均大于理想加 速比。这是由于计算时开启了超线程技术，出现了“超线性加速比”现象。

(4)在相同内核配置下，随着故障数和校核支路总数的增加，计算规模越大，耗时更多， 2核和4核加速比分别在2.10和3.20左右，并行效率分别在105.0％和80.0％左右，加速比和 效率相对稳定，并未随计算规模的显著增加而呈现明显的变化趋势。经反复测试分析原因， 主要是由PSD-BPA潮流计算程序固有特征决定的：BPA程序潮流计算为封装可执行程序，同 一运行方式不同故障下网架规模相同，调用BPA程序接口进行潮流计算耗时相同。进一步分 析单一子任务各阶段耗时所占比例，接口调用时间所占比重大。因此，各子任务全程计算时 间相差较小，不会随着计算规模的增加而变化，方案1-4单一故障任务计算时间分别为5.91s、 5.38s、5.98s、5.53s。

表1 节点2至节点25支路N-1开断故障潮流转移比大于50％结果列表

注：bus2表示节点2，bus2-bus25表示节点2至节点25支路，文中以L_2-25表示，以此类推；

表2 不同测试方案配置

表3 不同测试环境下计算结果对比